紅外成像導(dǎo)引頭通用測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 莉，楊 博

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

紅外成像導(dǎo)引頭通用測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 莉，楊 博

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

為滿足對(duì)新型紅外導(dǎo)引系統(tǒng)的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種基于PXI標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)和多層軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的紅外成像導(dǎo)引頭通用測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)按照通用化的設(shè)計(jì)思想，采用集成板卡構(gòu)建虛擬儀器，具有多通道高精度A/D、D/A和數(shù)字I/O，數(shù)據(jù)吞吐量較大，能滿足不同型號(hào)紅外成像導(dǎo)引頭的測(cè)試需求，解決了紅外成像導(dǎo)引頭的測(cè)量與評(píng)估問(wèn)題。

PXI總線；通用化；信號(hào)調(diào)理；數(shù)據(jù)采集；多層軟件平臺(tái)

0 引 言

紅外成像導(dǎo)引頭具有作用距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但其導(dǎo)引系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)已不能滿足研究需求,本文提出的紅外成像導(dǎo)引頭通用測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)基于PXI標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)和多層軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),通過(guò)獲取導(dǎo)引頭在各種工作狀態(tài)下的全部參數(shù)和圖像數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)引頭的狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像顯示、狀態(tài)顯示、參數(shù)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果記錄、圖像回放等,滿足單元、多元、成像導(dǎo)引頭的測(cè)試與評(píng)估。

1 總體設(shè)計(jì)思路

紅外成像導(dǎo)引頭通用測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分主要由嵌入式控制器模塊、各種通用功能板卡和信號(hào)調(diào)理電路組成；軟件部分由底層、邏輯層、表現(xiàn)層三種結(jié)構(gòu)組成。

該測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)采用集成板卡來(lái)構(gòu)建虛擬儀器組成測(cè)控系統(tǒng),性能較高的PXI標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)能夠采集高度數(shù)字、圖像信號(hào)。具有多通道高精度A/D、D/A和數(shù)字I/O,數(shù)據(jù)吞吐量較大,系統(tǒng)集成度較高。

圖1 紅外導(dǎo)引頭測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件通用化設(shè)計(jì)

PXI總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各類硬件板卡一般只具備標(biāo)準(zhǔn)的電氣接口和物理接口,不能直接與導(dǎo)引頭在電氣和物理上互連。因此,系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一套通用接口適配部分,導(dǎo)引頭首先與接口適配單元相連,進(jìn)行必要的電氣信號(hào)和物理接口轉(zhuǎn)換后再與PXI總線計(jì)算機(jī)硬件板卡相連。

2.1 通用接口適配部分

圖2 信號(hào)調(diào)理單元結(jié)構(gòu)

通用接口適配部分設(shè)計(jì)方案采用以NI公司的模擬量調(diào)理系統(tǒng)SCXI為主來(lái)構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)的適配調(diào)理單元,以保證系統(tǒng)具有良好的通用性、一致性、測(cè)試精度和信號(hào)帶寬。如圖2所示,通用接口適配部分包括A/D、D/A、數(shù)字I/O調(diào)理單元,以實(shí)現(xiàn)輸入輸出模擬信號(hào)的隔離、放大、衰減和數(shù)字信號(hào)的隔離功能。

由于不同型號(hào)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不同,如傳輸數(shù)字紅外圖像信號(hào)可采用低壓差分串行傳輸?shù)腖VDS協(xié)議、高速串行傳輸?shù)腍otlinK協(xié)議和模擬圖像Video信號(hào),因此需要將不同數(shù)據(jù)格式進(jìn)行調(diào)理,將其轉(zhuǎn)換后再與PXI總線計(jì)算機(jī)硬件板卡相連。

采用LVDS形式進(jìn)行傳輸時(shí),圖像采集卡只能采集16 bits寬度的并行圖像數(shù)據(jù),二者之間必須進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換,這一功能由通用串并轉(zhuǎn)換圖像調(diào)理卡完成。該卡主要利用FPGA和PCI橋接芯片實(shí)現(xiàn),首先將接收到的串行LVDS數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入FIFO緩沖區(qū),然后構(gòu)造數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序,生成字同步信號(hào),同時(shí)讀取FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),要確保字同步信號(hào)的上升沿在數(shù)據(jù)的有效時(shí)間內(nèi),高速數(shù)據(jù)IO卡根據(jù)字同步信號(hào)的上升沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,從而獲得有效數(shù)據(jù),其工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 LVDS信號(hào)的調(diào)理過(guò)程

測(cè)試導(dǎo)引頭與導(dǎo)彈飛控?cái)?shù)據(jù)傳輸功能時(shí),紅外導(dǎo)引頭采用雙口RAM與飛控進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,需要對(duì)雙口RAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)測(cè)試,但是雙口RAM的總線信息為并行數(shù)據(jù),不宜遠(yuǎn)距離傳輸。因此,必須在導(dǎo)引頭附近把雙口RAM的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù),再經(jīng)過(guò)RS-422傳送到測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換電路利用RS-422收發(fā)器MAX3077E發(fā)送和接收RS-422的串行數(shù)據(jù),同時(shí)利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。雙口RAM到RS-422的轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4所示。

2.2 通用集成采集卡

采集的導(dǎo)引頭信號(hào)通常可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)包括高頻率信號(hào)、低頻率信號(hào)、大幅值信號(hào)和小幅值信號(hào)；數(shù)字信號(hào)包括靜態(tài)數(shù)字信號(hào)和高頻數(shù)字信號(hào)。要測(cè)試這些不同種類的信號(hào),就要根據(jù)被測(cè)信號(hào)特點(diǎn)并結(jié)合對(duì)象的數(shù)據(jù)吞吐量、實(shí)時(shí)性要求、精度、分辨率和帶寬要求等方面來(lái)選擇不同性能的數(shù)據(jù)采集卡,既要滿足信號(hào)要求,又要避免資源浪費(fèi)。作為通用的測(cè)試平臺(tái),采集卡采用PXI總線方式,該總線具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好以及擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖4 雙口RAM的轉(zhuǎn)換過(guò)程

3 軟件通用化設(shè)計(jì)

在測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)種類多樣,采集、處理以及顯示的要求各異,如果沒(méi)有約束任由模塊之間縱橫交錯(cuò),互相調(diào)用,相互依賴和影響,其復(fù)雜程度和依賴關(guān)系的增加既會(huì)帶來(lái)更多的潛在錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn),也會(huì)增加日后代碼維護(hù)的難度及工作量。

圖5 軟件層次結(jié)構(gòu)圖

本文將其分成三種功能模塊,分別是軟件底層、軟件邏輯層和表現(xiàn)層,結(jié)構(gòu)如圖5所示。其工作過(guò)程為：首先通過(guò)表現(xiàn)層的“控制組件”下發(fā)測(cè)試命令,經(jīng)過(guò)邏輯層的“控制適配”部件翻譯成底層硬件板卡可以識(shí)別的命令,底層硬件板卡執(zhí)行數(shù)據(jù)采集命令后得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)(包括圖像數(shù)據(jù)),該數(shù)據(jù)返回到邏輯層,經(jīng)由“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件”變換為合適的形式供給用戶界面顯示,或經(jīng)由“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件”處理為適合于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存放起來(lái)。

這種設(shè)計(jì)可以使得測(cè)控軟件結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、分工明確、獨(dú)立性強(qiáng),還可減少耦合,具有便于修改和后期維護(hù)的特點(diǎn)。

3.1 軟件底層

軟件底層直接和硬件的測(cè)控板卡發(fā)生聯(lián)系,它們對(duì)硬件板卡進(jìn)行直接操控,以便從被測(cè)產(chǎn)品獲取信息(如圖像信息、模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)),或?qū)?shù)據(jù)或命令發(fā)送到產(chǎn)品。各硬件板卡有通用的API接口函數(shù),底層軟件將這些API函數(shù)按照功能統(tǒng)一封裝為不同的類,兩個(gè)基類分別為任務(wù)類和任務(wù)配置類。

(1)任務(wù)類

硬件采集卡可以實(shí)現(xiàn)多種采集功能,統(tǒng)一稱為任務(wù)。在軟件設(shè)計(jì)中將這些任務(wù)抽象成類,這些類由一個(gè)基類(BaseTasK)派生而來(lái)。在基類中定義這些任務(wù)共有的屬性,例如啟動(dòng)任務(wù)、停止任務(wù)、安全地清理任務(wù)、獲取任務(wù)配置對(duì)象、清理占用資源等。

(2)任務(wù)配置類

每一個(gè)任務(wù)對(duì)象包含了相應(yīng)任務(wù)類型的任務(wù)配置對(duì)象。對(duì)于任務(wù)配置的處理同樣采用類設(shè)計(jì)的思想,即所有任務(wù)有統(tǒng)一的任務(wù)配置基類(TasKCfg-Base),這個(gè)配置類中,存在所有配置文件公共的行為,包括保存配置、讀取配置、檢查配置。

涉及到具體的任務(wù),不同任務(wù)有不同的執(zhí)行流程,但通過(guò)底層軟件的設(shè)計(jì)使得不同板卡執(zhí)行采集任務(wù)的流程基本一致：首先創(chuàng)建任務(wù)配置對(duì)象,再創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集板卡的核心任務(wù),將任務(wù)對(duì)象與配置對(duì)象進(jìn)行綁定,啟動(dòng)任務(wù),最后清理任務(wù),釋放資源。

3.2 軟件邏輯層

邏輯層包括數(shù)據(jù)濾鏡框架、圖像濾鏡框架、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件、數(shù)據(jù)庫(kù)組件等模塊。數(shù)據(jù)濾鏡框架將不同板卡的不同格式的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式；圖像濾鏡框架將采集到的原始圖像及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)分離與轉(zhuǎn)化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件將采集來(lái)的不同數(shù)據(jù)包(包括圖像、數(shù)字量、模擬量等)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)庫(kù)組件負(fù)責(zé)控制用戶的訪問(wèn)權(quán)限以及保存設(shè)置和維護(hù)數(shù)據(jù)采集與發(fā)生過(guò)程中所需要的參數(shù)。

邏輯層將不同硬件板卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和協(xié)調(diào),將用戶界面發(fā)出的控制指令“翻譯”為針對(duì)某個(gè)板卡可以識(shí)別的操作命令。這種設(shè)計(jì)可以將與硬件板卡進(jìn)行交互的底層和顯示信息的用戶界面隔離開(kāi)來(lái),在用戶界面與底層硬件之間架設(shè)了一個(gè)相互溝通的橋梁,使得整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性更強(qiáng),結(jié)構(gòu)更清晰。

(1)數(shù)據(jù)濾鏡框架

通用類型數(shù)據(jù)濾鏡框架包括動(dòng)態(tài)解算數(shù)據(jù)組件和解析規(guī)則配置器。由于數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸,需要按照一定的規(guī)則壓縮和解析其格式,數(shù)據(jù)參數(shù)信息的多樣化決定了壓包和解包的算法必須是動(dòng)態(tài)的。動(dòng)態(tài)解算數(shù)據(jù)組件又包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓包和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解包兩部分,源端根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包定義將不同類型的數(shù)據(jù)打包組幀；接收終端讀取該定義便可將參數(shù)信息存貯到一個(gè)容器中；獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包以后,根據(jù)容器中參數(shù)信息序列,可以將該參數(shù)的實(shí)際值解算出來(lái)并存進(jìn)容器；使用時(shí),通過(guò)參數(shù)名稱便可在存貯容器中查找到其對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

(2)圖像濾鏡框架

圖像濾鏡框架的結(jié)構(gòu)如圖6所示,圖像數(shù)據(jù)在濾鏡之間傳遞,濾鏡將圖像數(shù)據(jù)處理之后輸出,在經(jīng)過(guò)了所有的濾鏡鏈之后得到最終圖像顯示在顯示器上。圖像濾鏡框架包括圖像顯示、圖像編碼和圖像解碼濾鏡,為了實(shí)現(xiàn)純圖像數(shù)據(jù)的顯示,封裝了第三方庫(kù)LeadTools一部分功能,定義圖像顯示濾鏡類ImaqDisplayer,創(chuàng)建其對(duì)象并調(diào)用功能函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)圖像顯示等功能；圖像存儲(chǔ)采用編碼濾鏡file_encoder,將圖像數(shù)據(jù)按照規(guī)定的文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)；圖像解碼濾鏡file_decoder從存儲(chǔ)文件里讀取數(shù)據(jù)包,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的分離,以便將圖像數(shù)據(jù)和其他狀態(tài)數(shù)據(jù)分開(kāi)處理。

圖6 圖像濾鏡框架

3.3 軟件表現(xiàn)層

軟件表現(xiàn)層作為與用戶交互的界面,負(fù)責(zé)對(duì)用戶登錄的管理、測(cè)試方式和測(cè)試項(xiàng)目的選擇、測(cè)試命令的下發(fā)和命令執(zhí)行后最終結(jié)果或狀態(tài)的顯示,包括控制組件、數(shù)據(jù)顯示組件和圖像顯示組件?？刂平M件用來(lái)對(duì)測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)的具體測(cè)試任務(wù)行為進(jìn)行控制；數(shù)據(jù)顯示組件將圖像中包含的狀態(tài)信息以及采集的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示；圖像顯示組件將采集的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖片進(jìn)行直觀顯示。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的紅外成像導(dǎo)引頭通用測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)采用集成板卡構(gòu)建虛擬儀器組成測(cè)控系統(tǒng),基于PXI標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu),具有多通道高精度A/D、D/A和數(shù)字I/O、數(shù)據(jù)吞吐量較大,系統(tǒng)集成度較高。硬件設(shè)計(jì)通用調(diào)理適配單元,對(duì)導(dǎo)引頭輸出的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)理適配,使信號(hào)具備標(biāo)準(zhǔn)的電氣接口和物理接口,通過(guò)調(diào)換不同的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)現(xiàn)紅外單元、多元及成像導(dǎo)引頭的通用測(cè)試評(píng)估；軟件設(shè)計(jì)通用化,采用底層、邏輯層、表現(xiàn)層的層次結(jié)構(gòu),對(duì)于不同產(chǎn)品測(cè)試僅需對(duì)表現(xiàn)層進(jìn)行重新搭建按照通用化的設(shè)計(jì)思想研制,在實(shí)際應(yīng)用中滿足了不同型號(hào)紅外成像導(dǎo)引頭的測(cè)試要求。

［1］王建國(guó),楊士義.某型空空導(dǎo)彈總體測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.信息與電腦(理論版),2012(2).

［2］韓惠蓮,王浩.基于虛擬儀器的導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(3).

［3］鄭竑宇,董德新,賈明勇.基于PXI總線的紅外導(dǎo)引頭性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航空兵器,2010(4).

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［5］朱剛.基于虛擬儀器的模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué),2007.

Design of a Universal Testing and Evaluation System for Infrared Imaging Seeker

Huang Li,Yang Bo
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

In order tomeet the testing demands of a new infrared seeKer system,a universal testing and evaluation system of infrared imaging seeKer is designed,which bases on PXI standard bus structure and multi-layer software platform.According to the design idea of generalization,the system uses integrated board to structure virtual instrument.It hasmulti-channel,high-precision A/D,D/A and digital I/O, and hasmass data handling capacity.It can meet the testing demand of variant infrared imaging seeKers, and can solve the testing and evaluation problems of the infrared imaging seeKer.

PXIbus；generalization；signal processing；data acquisition；multi-layer software platform

TJ760.6

A

1673-5048(2015)03-0054-04

2015-01-18

黃莉（1983-），女，貴州銅仁人，工程師，研究方向是目標(biāo)特性測(cè)試。